大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋腹板斜裂縫成因分析

大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋腹板斜裂縫成因分析

1變截面箱梁設(shè)計107號線的官渡黃河大橋全長7177米，主橋全長2455米，橋段為3（75）25m。箱梁設(shè)計為三向預(yù)應(yīng)力體系,主梁除布置縱向預(yù)應(yīng)力外,在橋面板內(nèi)設(shè)有橫向預(yù)應(yīng)力束,腹板內(nèi)設(shè)有豎向預(yù)應(yīng)力束。豎向預(yù)應(yīng)力采用二次張拉低回縮鋼絞線豎向預(yù)應(yīng)力錨固體系。2新型預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)二次張拉低回縮鋼絞線豎向預(yù)應(yīng)力錨固體系是針對中短預(yù)應(yīng)力束錨固系統(tǒng)在張拉放張后,產(chǎn)生的回縮對預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)永存預(yù)應(yīng)力損失過大的工況專門研究開發(fā)的一種新型鋼絞線低回縮高效率的預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng),是目前中短束預(yù)應(yīng)力筋有效永存預(yù)應(yīng)力損失最小的錨具品種之一。3錨杯及墊板張拉安裝張拉端低回縮錨具,第1次張拉鋼絞線至設(shè)計張拉力;2～14h后,再將錨具的錨杯連同預(yù)應(yīng)力筋整體張拉至設(shè)計張拉力,錨杯下端面離開墊板5～13mm,持荷2min,向墊板側(cè)擰扭支承螺母,直到消除錨杯與墊板之間間隙。達(dá)到克服第一次張拉產(chǎn)生的錨具放張回縮,降低豎向預(yù)應(yīng)力損失,提高永存預(yù)應(yīng)力的目的。4研究的基本分析為研究豎向預(yù)應(yīng)力二次張拉預(yù)應(yīng)力損失情況,根據(jù)本橋特點選擇典型的中跨1號節(jié)段、次中跨4號節(jié)段進(jìn)行研究分析。根據(jù)設(shè)計規(guī)范,預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件在正常使用極限狀態(tài)計算中,對于后張法構(gòu)件應(yīng)考慮5項預(yù)應(yīng)力損失:(1)預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁之間的摩擦損失σ4.1由于預(yù)測鋼筋和管道壁之間的摩擦損失，后張法構(gòu)件張拉時,預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁之間摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失,按照下式計算:式中:σ4.2預(yù)應(yīng)力錨固體系錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮引起的預(yù)應(yīng)力損失按照式(2)計算:式中:Δl為張拉錨具變形。鋼筋回縮和接縫壓縮值(mm);l為張拉端至錨固端之間的距離(mm)。根據(jù)二次張拉豎向預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固體系:張拉錨固時因錨具變形、縫隙壓密等引起的總回縮量不得大于1mm,可采取超張拉或反復(fù)張拉的措施。本計算從安全角度出發(fā),取Δl=1mm。4.3預(yù)應(yīng)力損失的計算后張法預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,采用分批張拉時,先張拉的鋼筋由于張拉后批的鋼筋所引起的混凝土彈性壓縮的預(yù)應(yīng)力損失,可按式(3)計算:式中:ΣΔσ由于混凝土彈性壓縮而產(chǎn)生變形非常小,故計算過程中不予考慮。4.4鋼筋松弛系數(shù)對于預(yù)應(yīng)力鋼絲和鋼絞線,其松弛損失可以通過式(4)計算:式中:ψ為張拉系數(shù),一次張拉取值1.0,采用超張拉取值0.9;為鋼筋松弛系數(shù),I級松弛(普通松弛)取值1.0,II級松弛(低松弛)取值0.3;σ本錨固體系下采用超張拉,鋼筋類型為低松弛鋼筋,計算預(yù)應(yīng)力鋼筋松弛損失,其中σ4.5混凝土收縮損失由混凝土收縮、徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失,按照式(5)計算:4.6鋼筋回縮回縮引起的損失各類型損失量及匯總值如表1和圖1–3所示。預(yù)應(yīng)力損失計算,考慮了管道偏差、錨具變形及鋼筋回縮、鋼筋松弛、收縮徐變等因素引起的損失。由以上數(shù)據(jù)可知,鋼筋松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失最大,其次是混凝土的收縮徐變效應(yīng),這兩項接近于損失占比的70%。此外,錨具變形、鋼筋回縮等引起的損失相對較小。總的預(yù)應(yīng)力損失率在13%～15%之間。5預(yù)應(yīng)力錨固短束二次張拉的效果為了更好地掌握新型豎向預(yù)應(yīng)力錨固體系作用下,預(yù)應(yīng)力的損失特性和混凝土箱梁的受力特性,對中跨1號節(jié)段開展了豎向預(yù)應(yīng)力錨固短束的試驗研究。試驗按照“內(nèi)腹板3根→邊腹板3根→中腹板3根”的張拉順序開展作業(yè),在張拉每個腹板預(yù)應(yīng)力鋼束時,張拉每根鋼束完成后采用測力環(huán)對有效錨固預(yù)應(yīng)力進(jìn)行測試,例如張拉第二根后需要對第1根進(jìn)行測試,并在所有3根預(yù)應(yīng)力張拉完成后每持荷30min進(jìn)行全面測試,并進(jìn)行二次張拉,對二次張拉前和張拉后的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步跟蹤測試,以全面掌握預(yù)應(yīng)力鋼束的有效錨固預(yù)應(yīng)力。各豎向預(yù)應(yīng)力在張拉工序中的有效預(yù)應(yīng)力儲備情況,可以得到以下重要結(jié)論。(1)同一側(cè)腹板的3個豎向預(yù)應(yīng)力張拉過程中,第1根張拉后有效預(yù)應(yīng)力在1160～1296MPa不等,主要是張拉過程中有調(diào)整,因此存在變化;第2根和第3根張拉后有效預(yù)應(yīng)力儲備顯著降低,這是因為3根預(yù)應(yīng)力距離很近,后續(xù)預(yù)應(yīng)力張拉一方面會引起前面預(yù)應(yīng)力鋼束的錨固回縮,同時也會引起混凝土的壓縮,導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失較多。這說明目前如果沒有二次張拉工藝,豎向預(yù)應(yīng)力鋼束的永存預(yù)應(yīng)力很低。(2)不同側(cè)腹板的預(yù)應(yīng)力張拉對其他側(cè)腹板的錨固預(yù)應(yīng)力影響很小,基本在5MPa以內(nèi),可以忽略。也就是說其他腹板位置的預(yù)應(yīng)力張拉并不引起本腹板位置的豎向預(yù)應(yīng)力損失,說明不同張拉順序?qū)τ陬A(yù)應(yīng)力損失的影響很小。(3)二次張拉后有效預(yù)應(yīng)力儲備均達(dá)到1220～1250MPa,說明二次張拉具有非常顯著的效果,相對于二次張拉前永存預(yù)應(yīng)力提高了220～270MPa,這主要是二次張拉消除了錨具回縮引起的預(yù)應(yīng)力損失。(4)二次張拉完成后,隨著預(yù)應(yīng)力管道壓漿和后續(xù)多達(dá)30d的連續(xù)觀測,可以看到預(yù)應(yīng)力損失量很少,在20～40MPa左右,這部分預(yù)應(yīng)力損失主要是混凝土收縮徐變和摩擦損失引起,根據(jù)理論計算收縮徐變和摩擦損失在60MPa左右,考慮到本橋采用的是C55聚丙烯纖維混凝土,材料性能較好,因此實際的收縮徐變損失要低于理論計算結(jié)果,驗證了理論與試驗分析的準(zhǔn)確性。根據(jù)試驗分析的永存預(yù)應(yīng)力在1200MPa左右,相對于1380MPa的張拉控制應(yīng)力預(yù)應(yīng)力損失180MPa,13%的損失率。根據(jù)章節(jié)3的理論分析結(jié)果,可知理論上1號塊的豎向預(yù)應(yīng)力損失209MPa,相當(dāng)于15.2%的損失率,根據(jù)前述結(jié)論理論計算對于混凝土收縮徐變引起的損失估計偏大一些,約20MPa。因此,理論分析和試驗獲得了較好的結(jié)果驗證,綜合說明本工程提出的豎向短束二次張拉預(yù)應(yīng)力體系具有很好的效果。對次中跨4號節(jié)段開展了豎向預(yù)應(yīng)力錨固短束的試驗研究。表1是理論與試驗下豎向預(yù)應(yīng)力鋼束的預(yù)應(yīng)力損失對比,根據(jù)試驗分析的永存預(yù)應(yīng)力在1260MPa左右,相對于1380MPa的張拉控制應(yīng)力預(yù)應(yīng)力損失120MPa,8.6%的損失率。根據(jù)章節(jié)4的理論分析結(jié)果,可知理論上4號塊的豎向預(yù)應(yīng)力損失189MPa,相當(dāng)于13.7%的損失率,根據(jù)前述結(jié)論理論計算對于混凝土收縮徐變引起的損失估計偏大一些,約56MPa。因此,理論分析和試驗獲得了較好的結(jié)果驗證,綜合說明本工程提出的豎向短束二次張拉預(yù)應(yīng)力體系具有很好的效果。6預(yù)應(yīng)力損失應(yīng)力國道107改線官渡黃河大橋主橋為預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁,采用懸臂澆筑的施工方法。根據(jù)該類橋型容易出現(xiàn)的運營期間腹板斜裂縫問題,結(jié)合本橋特點通過理論研究、實際檢驗分析了豎向預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固系統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力損失特點。主要結(jié)論如下。(1)理論研究顯示:新型錨固系統(tǒng)鋼筋松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失最大,達(dá)到近90MPa;其次是混凝土的收縮徐變效應(yīng),達(dá)到近60MPa;鋼筋松弛和混凝土收縮徐變這兩項接近于損失占比的70%;錨具變形、鋼筋回縮等引起的損失相對較小;總的預(yù)應(yīng)力損失率在13%～15%之間。(2)分批張拉產(chǎn)生的混凝土彈性壓縮量很低,造成的鋼絞線預(yù)應(yīng)力損失均在5MPa以內(nèi),且不同的分批張拉工藝所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失影響很低,施工中僅需要根據(jù)施工便易性進(jìn)行分批張拉操作。(3)針對2個節(jié)段豎向預(yù)應(yīng)力短束錨固性能開展了試驗研究,試驗結(jié)果表明:二次張拉工藝顯著地提高了永存預(yù)應(yīng)力220～270MPa,對于豎向預(yù)應(yīng)力短束具有很好的效果;從不同腹板開始張拉的張拉順序?qū)τ陬A(yù)應(yīng)力鋼束的永存預(yù)應(yīng)力影響很小,在5MPa以內(nèi),這與數(shù)值分析結(jié)果相同;張拉完成超過30d的連續(xù)觀測發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失在40MPa左右,這部分主要是混凝土收